К середине IV в. до н.э. Селимбрия и Калхедон перешли под политический контроль разбогатевшего Византия. В 340 гг. до н.э. Византий заключил союз с царём Филиппом Македонским и поддержал укрепляющееся Македонское царство в борьбе против фракийцев. В интересах македонцев Византий также начал препятствовать афинской торговле через Боспор, но вскоре горожане убедились в том, что прекращение афинского транзита в проливе крайне не выгодно им самим, поскольку Афины по-прежнему оставались крупнейшим импортёром понтийских товаров. Византий разорвал отношения с Филиппом и вскоре подвергся нападению македонцев. В 340 г. до н.э. Филипп осадил одновременно Перинф и Византий и вынудил византийцев оборонять сразу два города. Тем не менее, морские коммуникации позволяли византийцам долго и успешно сопротивляться осаде. Доставив в Византий подложное письмо, Филипп дискредитировал лучшего византийского военачальника Льва, заставил горожан подозревать его в измене и, в конце концов, вынудил Льва покончить с собой. Однако все попытки македонцев штурмовать город были отбиты, и Филипп снял осаду. В память об этой успешной обороне в Византии была воздвигнута статуя Гекаты Светоносной, которая с этого времени стала наиболее почитаемой местной богиней. Город был экономически разорён и частично разрушен, но отстоял независимость, что позволило ему быстро восстановиться. Независимое и весьма прочное положение Византия сохранялось в дальнейшем. Около 335 г. до н.э. город вступил в союз с Александром Македонским на почётных условиях, поддержав тем самым его планы завоеваний на Востоке, которые открывали широкие перспективы обогащения и для самих византийцев (в Средние века византийцы считали, что Александр Македонский начал свой поход на Восток именно из Византия). После раздела империи Александра Великого к концу IV в. до н.э. Византий оказался в регионе столкновений интересов многих государств. Своё влияние здесь стремились распространять Македония, Селевкидское царство Востока, птолемеевский Египет и соседнее с Византием царство Вифиния. Сложная и неустойчивая политическая обстановка в эллинистическом мире позволяла городу успешно сохранять независимость, вступая в союзы как с морскими полисами Греции, так и с различными континентальными государствами. Полисная территория Византия в эпоху эллинизма простиралась на запад от Боспора до Дерка и Регия и на восток до района современного турецкого города Ялова. В конце IV в. до н.э., в период борьбы диадохов за раздел империи Александра Македонского, царь Фракии Лисимах попытался вовлечь Византий в сферу своего влияния, отправив в город посольство и предложив союз, но горожане отказались. В 309 г. до н.э. Лисимах основал город у восточного выхода из пролива Геллеспонт, названный Лисимахией, явно стремясь противопоставить его Византию как новый экономический и политический центр в регионе черноморских проливов. Впрочем, около 285 г. до н.э. Лисимахия была разрушена землетрясением, а вскоре потеряла значение в связи с распадом Фракийского царства после гибели Лисимаха в 281 г. до н.э.